漁船在流場中失控漂移預報模型

丁天明+艾萬政

【摘 要】 為減少漁船交通事故的發生，通過分析漁船運動特性，結合漁船失控后受流作用下的運動方程，提出漁船失控運動軌跡計算機預報方法。研究結果表明，漁船在受一定流場作用失控后，其運動軌跡主要受到沖程及流速和流向的影響。

【關鍵詞】 漁船；失控；漂移；沖程；預報

我國現有漁船總數達100多萬艘，是世界上漁船數量最多的國家，約占世界總數的1/4，其中海洋漁船總數達30多萬艘。我國漁船雖然數量龐大，但普遍老舊，海難事故經常發生。漁船交通事故有很大一部分是由漁船失控漂移所引起的，而漁船失控漂移多半是由設備失靈或遇大風浪所致。漁船在失控以后，受流的作用任意漂流，容易導致碰撞、擱淺、翻船等事故發生。因此，有必要開展漁船失控后漂移的軌跡預報技術研究，以減小漁船交通事故發生的概率。在風浪較小時，漁船失控漂移后，其運動既受到慣性沖程的影響，也受到流的作用。有關受流作用下漁船失控后的運動軌跡推算的研究較少。有學者提出采用實船試驗的方法研究漁船失控漂移運動，但這種方法涉及的費用昂貴。[1-2] 本文從漁船運動特點入手，建立失控漁船受流作用下的運動軌跡計算方程，并提出通過計算機實現預報其運動軌跡的方式。

1 漁船失控漂移運動軌跡計算方程

船舶在失控漂移后，其運動軌跡不但受到沖程的影響，同時還受到風和流的作用。為了計算流對漁船運動的影響，有必要建立漁船失控隨流漂移運動坐標系（見圖1）。設船首尾線與Y軸的夾角稱為偏航角€%Z，流向與Y軸的夾角稱為流向角€%[。當在一定的通航環境下，漁船由于某種原因車、舵突然失靈，以致漁船失控，且又未采取或不能采取拋錨措施，船舶的運動過程可分為兩個階段：（1）慣性減速階段，可用停車沖程理論分析船舶運動過程，計算有關數據；（2）隨流淌航階段，可根據設定的水流情況進行分析計算。

1.1 Y軸移動距離的計算（不考慮風）

1.1.1 失控時的船速計算

失控時的船速v0可用下式計算：

V=（1）

即 v0=（2）式中：V為漁船失控時的航速，m/s；U為漁船失控時的流速，m/s。

1.1.2 沖時的計算

由物理學知識可知，漁船的失控沖時應為無窮大，但在現實生活中，當船速減小到可忽略的程度（對船舶軌跡計算足夠小），則可認為慣性沖程結束。沖時（T）是指從失控點開始到船速減小到可忽略程度所需的時間。其大小可按下式求取：

v=v0€積（3）

1.1.3 靜水沖程

靜水沖程（S'）是指在沖時T時間內，船舶沿船速方向移動的距離。可用下式估算：

S'=v0€積€穌t=v0€稵st （1-e）（4）

1.1.4 動水沖程

計算動水沖程時，應考慮船舶在沖時T內隨流漂航的距離，因此，動水沖程（S）可用下式表達：

S= v0€稵st （1-e）+ U€稵€穋os（€%[-€%Z）（5）

1.1.5 沖 距

動水沖程在Y軸上的投影稱為沖距（Sc）。其大小可按下式計算：

Sc= v0€稵st （1-e）cos €%Z+ U€稵€穋os €%[（6）

1.1.6 漂 距

漂距（Sp）是指慣性消失后，在流作用下繼續沿Y軸方向漂移的距離。其大小可按下式計算：

Sp=U€穞p€穋os €%[=（Dsk-Sc）（7）

tp=Sp /（U€穋os €%[）=（Dsk-Sc） /（U€穋os €%[）（8）

式中：tp為流淌漂移時間，即船舶從停沖點（慣性消失點）移動的時間，s；Dsk為失控點至預計地點的距離，m。

當漁船對水移動時，其運動軌跡在Y軸上的距離可用式（6）計算；當漁船不對水移動時，其運動軌跡在Y軸上的距離應是式（6）與式（7）的疊加。

1.2 X軸移動距離的計算（不考慮風）

1.2.1 沖期流致漂移量

沖期流致漂移量（B1）是指船舶在整個沖時T時間內，在慣性與流的共同作用下沿X軸方向偏移的距離。其大小可由下式計算：

B1=v0€稵st （1-e）sin €%Z+ U€稵€穝in €%[（9）

1.2.2 流淌漂移量

流淌漂移量（B2）指慣性消失后，在流作用下，船舶在X軸方向移動的距離。其大小可由下式計算：

B2=U€穞p€穝in €%[=Sp€穞an €%[（10）

當漁船對水移動時，其運動軌跡在X軸上的距離可用式（9）計算；當漁船不對水移動時，其運動軌跡在X軸上的距離應是式（9）與式（10）的疊加。

2 計算機實現失控漂移軌跡流程

當tp>T時，即當時間大于沖時，漁船在Y軸上的行駛距離應是式（6）與式（7）的疊加；當tpT時，即當時間大于沖時，漁船在X軸上的行駛距離應是式（9）與式（10）的疊加；當tp

3 結 語

漁船受一定流場失控漂移后，其運動軌跡主要受到沖程及流致漂移的影響。當流淌漂移時間在沖時范圍之內時，漁船運動軌跡可按式（6）和式（9）進行計算；當流淌漂移時間超過沖時，漁船運動軌跡可按式（6）、式（7）、式（9）、式（10）進行計算。按照圖2所示流程，失控漁船運動軌跡預報完全可通過計算機實現。

參考文獻：

[1]王昌杰.河流動力學[M].北京：人民交通出版社，2000：34-41.

[2]劉明俊.內河與引航[M].北京：人民交通出版社，1999：37-43.